JP2009117074A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池のIV特性を精度良く推定することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】学習部84は、IV特性推定ライン作成部83によって生成されたIV特性推定ラインと、現時点での実運転動作点との差分を求め、求めた差分(すなわち、電圧偏差)を直流抵抗による電圧降下分及び起電圧変化分にフィードバックする。詳述すると、学習部84は、現時点における燃料電池の出力電流を検索キーとして、ゲイン決定マップMP1を検索する。ゲイン決定マップMP1には、燃料電池の出力電流に応じて、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインの比率が異なるように設定されているため、従来に比して燃料電池のIV特性を精度良く推定することができる。
【選択図】図5A fuel cell system capable of accurately estimating IV characteristics of a fuel cell is provided.
A learning unit 84 obtains a difference between an IV characteristic estimation line generated by an IV characteristic estimation line creation unit 83 and an actual operation point at the present time, and the obtained difference (that is, voltage deviation) is determined as a direct current. It feeds back the voltage drop due to the resistance and the change in electromotive voltage. Specifically, the learning unit 84 searches the gain determination map MP1 using the current output current of the fuel cell as a search key. In the gain determination map MP1, the ratio of the feedback gain as the DC resistance and the feedback gain as the change in electromotive voltage is set to be different according to the output current of the fuel cell. The IV characteristics of the battery can be estimated with high accuracy.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池の運転状態に応じて出力電力を制御する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that controls output power in accordance with the operating state of the fuel cell.
石油依存の車社会の将来像が懸念されている現代では、水素を燃料とする燃料電池を搭載した自動車の普及が期待されている。燃料電池はセルを直列に積層したスタック構造を有しており、アノードに供給される水素を含む燃料ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を行っている。 In the present age when the future image of an oil-dependent automobile society is concerned, the spread of automobiles equipped with fuel cells that use hydrogen as fuel is expected. A fuel cell has a stack structure in which cells are stacked in series, and generates electricity using an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen supplied to the anode and an oxidizing gas containing oxygen supplied to the cathode. Yes.
燃料電池は他の電源に比べて起動に際して種々の制約が存在する。かかる燃料電池の発電効率は、温度の低下や電極触媒の被毒に起因して減少し、所望の電圧/電流を供給することができずに機器を起動できない場合も生じる。 The fuel cell has various restrictions when starting up as compared with other power sources. The power generation efficiency of such a fuel cell decreases due to a decrease in temperature or poisoning of the electrode catalyst, and there may be a case where a desired voltage / current cannot be supplied and the device cannot be started.
このような事情に鑑み、燃料電池を始動する際、通常運転とは異なる運転、すなわちアノードに供給される燃料ガス及びカソードに供給される酸化ガスの少なくともいずれか一方を不足状態とし、電極の一部の過電圧を増加させてさらなる熱を発生させることで、燃料電池の温度を上昇させ、電極触媒の被毒などを回復させる運転(以下、リフレッシュ運転)が行われる(例えば、下記特許文献1参照)。
In view of such circumstances, when starting the fuel cell, an operation different from the normal operation, that is, at least one of the fuel gas supplied to the anode and the oxidizing gas supplied to the cathode is set in a deficient state, An operation for increasing the temperature of the fuel cell and recovering the poisoning of the electrode catalyst (hereinafter referred to as a refresh operation) is performed by increasing the overvoltage of the part to generate further heat (see, for example,
ところで、燃料電池の電流・電圧特性(IV特性)は一定でなく、燃料電池の出力電流や燃料電池の運転状態(通常運転状態であるか、リフレッシュ運転状態であるか)などによって大きく変動する。かかる変動を考慮することなく燃料電池の出力電力が制御されると、2次電池へ過充電が行われるなどの問題が懸念される。 By the way, the current / voltage characteristic (IV characteristic) of the fuel cell is not constant, and varies greatly depending on the output current of the fuel cell, the operation state of the fuel cell (whether it is in the normal operation state or the refresh operation state), and the like. If the output power of the fuel cell is controlled without taking such fluctuations into account, there are concerns about problems such as overcharging the secondary battery.
本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池のIV特性を精度良く推定することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of accurately estimating the IV characteristics of a fuel cell.
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の実運転動作点における出力電流、出力電圧を検知する電流・電圧検知手段と、前記燃料電池の電流・電圧特性を推定する推定手段と、推定された前記燃料電池の電流・電圧特性と検知される実運転動作点における出力電圧との間に生じた電圧偏差を検知する電圧偏差検知手段と、検知される電圧偏差を、前記燃料電池の抵抗分の電圧変化量及び前記燃料電池の起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックするフィードバック制御手段と、検知される前記燃料電池の出力電流に応じて、前記抵抗分の電圧変化量及び前記起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックする前記電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更するゲイン制御手段とを具備することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, an output current at an actual operation point of the fuel cell, a current / voltage detection unit that detects an output voltage, and a current of the fuel cell. An estimation means for estimating a voltage characteristic, a voltage deviation detection means for detecting a voltage deviation generated between the estimated current-voltage characteristic of the fuel cell and the output voltage at the detected actual operation point, and detection Feedback control means that feeds back the voltage deviation to at least one of the voltage change amount corresponding to the resistance of the fuel cell and the change amount of the electromotive voltage of the fuel cell, and according to the detected output current of the fuel cell A feedback gain ratio of the voltage deviation to be fed back to at least one of the voltage change amount of the resistance and the change amount of the electromotive voltage. Characterized by comprising a down control unit.
かかる構成によれば、検知される燃料電池の出力電流に応じて、抵抗分の電圧変化量及び起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックする電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更する。出力電流に応じて電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更するのは、例えば出力電流が大きい場合には、燃料電池の電解質膜内の含水量変化が大きいために直流抵抗が変化しやすく、一方出力電流が小さい場合には直流抵抗としてフィードバックしても寄与が小さすぎ、追従できないばかりか実際の直流抵抗とは大きく異なる値が設定されてしまうからである。よって、上記制御を行うことで、従来に比して燃料電池のIV特性を精度良く推定することができ、これにより燃料電池の実際のIV特性とIV特性推定ラインとの乖離を抑制することが可能となる。 According to such a configuration, the ratio of the feedback gain of the voltage deviation to be fed back to at least one of the voltage change amount for the resistance and the change amount of the electromotive voltage is changed according to the detected output current of the fuel cell. The ratio of the feedback gain of the voltage deviation according to the output current is changed, for example, when the output current is large, the direct current resistance is likely to change due to the large change in the water content in the electrolyte membrane of the fuel cell, while the output is This is because if the current is small, the contribution as a direct current resistance is too small to follow, and a value significantly different from the actual direct current resistance is set. Therefore, by performing the above control, it is possible to estimate the IV characteristic of the fuel cell with higher accuracy than in the past, thereby suppressing the deviation between the actual IV characteristic of the fuel cell and the IV characteristic estimation line. It becomes possible.
ここで、上記構成にあっては、前記ゲイン制御手段には、前記フィードバックゲインの比率が異なる複数の電流領域が設定され、前記ゲイン制御手段は、検知される前記燃料電池の出力電流が、前記複数の電流領域のいずれに属するかを判断し、判断結果に応じて前記抵抗分の電圧変化量及び前記起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックする前記電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更する態様が好ましい。 Here, in the above configuration, a plurality of current regions having different feedback gain ratios are set in the gain control means, and the gain control means is configured to detect the output current of the fuel cell as described above. It is determined which one of the plurality of current regions belongs, and a feedback gain ratio of the voltage deviation to be fed back to at least one of the voltage change amount of the resistance and the change amount of the electromotive voltage is changed according to the determination result. Embodiments are preferred.
また、上記構成にあっては、前記燃料電池に供給する酸化ガスのストイキ比を検出するストイキ比検出手段をさらに備え、前記ゲイン制御手段は、検知されるストイキ比に応じて、前記抵抗分の電圧変化量及び前記起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックする前記電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更する態様であっても良い。 Further, the above configuration further includes a stoichiometric ratio detecting means for detecting a stoichiometric ratio of the oxidizing gas supplied to the fuel cell, and the gain control means is configured to detect the resistance component according to the detected stoichiometric ratio. The aspect of changing the feedback gain ratio of the voltage deviation fed back to at least one of the voltage change amount and the electromotive voltage change amount may be employed.
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池のIV特性を精度良く推定することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to accurately estimate the IV characteristics of the fuel cell.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
A.本実施形態
A−1.構成
図1は本実施形態に係る燃料電池システム100を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
A. Embodiment A-1. Configuration FIG. 1 is a schematic configuration of a vehicle equipped with a
燃料電池40は、供給される反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池40は、MEAなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池40の実運転動作点における出力電圧(以下、FC電圧)及び出力電流(以下、FC電流)は、それぞれ電圧センサ140及び電流センサ150によって検出される。燃料電池40の燃料極(アノード)には、燃料ガス供給源10から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極(カソード)には、酸化ガス供給源70から空気などの酸化ガスが供給される。
The
燃料ガス供給源10は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やON/OFF時間などを調整することにより、燃料電池40に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源70は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池40に供給する酸化ガス量を調整する。
The fuel
The oxidizing
バッテリ60は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ60の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器(例えばキャパシタ)を設けても良い。このバッテリ60と燃料電池40とはトラクションモータ用のインバータ110に並列接続されており、バッテリ60とインバータ110の間にはDC/DCコンバータ130が設けられている。
The
インバータ110は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御装置80から与えられる制御指令に応じて燃料電池40またはバッテリ60から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ115へ供給する。トラクションモータ115は、車輪116L、116Rを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ110によって制御される。
The
DC/DCコンバータ130は、例えば4つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路(いずれも図示略)によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。DC/DCコンバータ130は、バッテリ60から入力されたDC電圧を昇圧または降圧して燃料電池40側に出力する機能、燃料電池40などから入力されたDC電圧を昇圧または降圧してバッテリ60側に出力する機能を備えている。また、DC/DCコンバータ130の機能により、バッテリ60の充放電が実現される。
The DC /
バッテリ60とDC/DCコンバータ130の間には、車両補機やFC補機などの補機類120が接続されている。バッテリ60は、これら補機類120の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器(照明機器、空調機器、油圧ポンプなど)をいい、FC補機とは、燃料電池40の運転に使用される種々の電力機器(燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど)をいう。
An
制御装置80は、CPU、ROM、RAMなどにより構成され、FC電圧を検出する電圧センサ140や、FC電流を検出する電流センサ150、燃料電池40の温度を検出する温度センサ50、バッテリ60の充電状態を検出するSOCセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき、当該システム各部を中枢的に制御する。また、制御装置80は、燃料電池40の電圧降下を要因別に推定するなどして、従前に比して精度の高いIV特性の推定を行う。
The
<IV特性の推定プロセス>
図2及び図3は、従前のIV特性の推定プロセスを説明する説明図である。図2及び図3では、IV特性の推定材料としての活性化分極に起因する電圧降下(活性化過電圧)の推定ラインを一点鎖線で示し、IV特性推定ラインを実線で示し、直流抵抗による電圧降下の推定ラインを二点鎖線で示している。なお、図2及び図3に示す縦軸、横軸は、それぞれFC電圧、FC電流をあらわしており、縦軸の切片は、燃料電池の起電力(起電圧)Veをあらわしている。
<IV characteristic estimation process>
2 and 3 are explanatory diagrams for explaining a conventional IV characteristic estimation process. 2 and 3, the estimation line of the voltage drop (activation overvoltage) due to the activation polarization as the IV characteristic estimation material is indicated by a one-dot chain line, the IV characteristic estimation line is indicated by a solid line, and the voltage drop due to DC resistance The estimated line is indicated by a two-dot chain line. 2 and 3, the vertical axis and the horizontal axis represent the FC voltage and the FC current, respectively, and the intercept of the vertical axis represents the electromotive force (electromotive voltage) Ve of the fuel cell.
図2に示すように、従前の燃料電池システムは、燃料電池の起電力Veと活性化過電圧をそれぞれ固定値としてあらわしていた。このため、電圧センサ及び電流センサによってFC電圧及びFC電流が検知され、燃料電池の実運転動作点(Ifc1、Vfc1)が得られると、実運転動作点に示されるFC電圧と活性化過電圧の差分を、全て直流抵抗による電圧降下と判断していた(図3参照)。 As shown in FIG. 2, the conventional fuel cell system represents the electromotive force Ve and the activation overvoltage of the fuel cell as fixed values. For this reason, when the FC voltage and the FC current are detected by the voltage sensor and the current sensor and the actual operation point (Ifc1, Vfc1) of the fuel cell is obtained, the difference between the FC voltage indicated by the actual operation point and the activation overvoltage is obtained. Were all judged to be a voltage drop due to DC resistance (see FIG. 3).
しかしながら、上記の如く実運転動作点に示されるFC電圧と活性化電圧の差分を全て直流抵抗による電圧降下と判断し、直流抵抗による電圧降下の推定値を時定数もって動かすと、IV特性推定ラインと実運転動作点との間に大きな乖離が生じてしまう。 However, if the difference between the FC voltage and the activation voltage indicated at the actual operation point as described above is determined as a voltage drop due to the DC resistance, and the estimated value of the voltage drop due to the DC resistance is moved with a time constant, the IV characteristic estimation line A large discrepancy occurs between the actual operation point and the actual operation point.
このような乖離を抑制すべく、本実施形態では運転によって生じる電圧降下分を、(1)電流に比例しない分極分の電圧降下、(2)電流に比例する電圧降下(直流抵抗による電圧降下)、(3)起電圧変化分の電圧降下、の3つに大別し、これらに基づいて燃料電池のIV特性を推定することとした(図4参照)。ここで、図4では、起電圧変化分の電圧降下を太破線で示している。なお、本実施形態において分極分の電圧降下とは、活性化分極の電圧降下および濃度分極の電圧降下を意味する。ただし、説明の便宜上、以下では、(1)電流に比例しない分極分の電圧降下として活性化電圧(活性化分極に起因する電圧降下)を想定する。 In order to suppress such a divergence, in this embodiment, the voltage drop caused by the operation is divided into (1) a voltage drop that is not proportional to the current, and (2) a voltage drop that is proportional to the current (voltage drop due to DC resistance). (3) The voltage drop corresponding to the change in electromotive voltage is roughly divided into three, and the IV characteristics of the fuel cell are estimated based on these (see FIG. 4). Here, in FIG. 4, the voltage drop corresponding to the change in electromotive voltage is indicated by a thick broken line. In the present embodiment, the voltage drop for polarization means a voltage drop for activation polarization and a voltage drop for concentration polarization. However, for convenience of explanation, in the following, (1) an activation voltage (voltage drop caused by activation polarization) is assumed as a voltage drop corresponding to polarization not proportional to the current.
<対策>
まず、活性化過電圧と直流抵抗推定値のフィードフォワード分を与える。ここで、活性化過電圧のフィードフォワード分は、製造出荷時に予め設定されている固定値でも良く、またマップ化した値を利用しても良い。さらに、直流抵抗推定値のフィードフォワード分についても、予め実験などで求めたインピーダンス測定値を利用すれば良い。次に、残りの電圧降下分を直流抵抗による電圧降下分起電圧変化分にゲインを切り換えながらフィードバックする。
<Countermeasure>
First, the feed forward amount of the activation overvoltage and the DC resistance estimation value is given. Here, the feed forward amount of the activation overvoltage may be a fixed value set in advance at the time of manufacture and shipment, or may be a mapped value. Furthermore, the measured impedance value obtained in advance through experiments or the like may be used for the feedforward portion of the estimated DC resistance value. Next, the remaining voltage drop is fed back while switching the gain to the voltage change caused by the DC voltage drop.
図5は、制御装置80のIV特性推定機能に係る機能ブロック図である。
制御装置80は、FF項生成部81と、IV特性推定ライン作成部83、学習部84とを備えて構成される。
FIG. 5 is a functional block diagram relating to the IV characteristic estimation function of the
The
FF項生成部81は、製造出荷時に格納されている活性化過電圧と直流抵抗推定値のフィードフォワード分を与えるためのマップ(FFマップ)、及び当該時点の燃料電池の温度などに基づき、活性化過電圧と直流抵抗推定値のフィードフォワード分を導出する。そして、FF項生成部81は、導出したフィードフォワード分をIV特性推定ライン作成部83に通知する。
The FF
IV特性推定ライン作成部83は、活性化過電圧と直流抵抗推定値のフィードフォワード分を除く電圧降下要素(以下、残電圧降下要素)を求め、IV特性推定ラインを作成する。詳述すると、IV特性推定ライン作成部(電流・電圧検知手段)83は、まず、現時点における燃料電池40の実運転動作点(Ifc1、Vfc1)を求める(図6参照)。
The IV characteristic estimation
そしてIV特性推定ライン作成部83は、残電圧降下要素として起電圧変化分と直流抵抗による電圧降下分の残りを合わせた電圧降下を求める(図7参照)。IV特性推定ライン作成部83は、かかる活性化過電圧と直流抵抗推定値のフィードフォワード分より作成した推定ラインを利用して起電圧変化分と直流抵抗による電圧降下分の残りΔV(=Ve−Ve’)を求めた後、図7に示すようなIV特性推定ラインを生成する。なお、図7ではIV特性推定ラインを実線で示し、活性化過電圧の推定ラインを一点鎖線で示し、直流抵抗による電圧降下分の推定ラインを二点鎖線で示している。
Then, the IV characteristic estimation
学習部(電圧偏差検知手段)84は、IV特性推定ライン作成部83によって生成されたIV特性推定ラインと、現時点での実運転動作点との差分を求め、求めた差分(すなわち、電圧偏差)を直流抵抗による電圧降下分(抵抗分の電圧変化量)及び起電圧変化分(起電圧の変化量)にフィードバックする。
The learning unit (voltage deviation detection means) 84 obtains a difference between the IV characteristic estimation line generated by the IV characteristic estimation
詳述すると、学習部(ゲイン制御手段)84は、現時点における燃料電池40の出力電流Ifc1を検索キーとして、ゲイン決定マップMP1を検索する。ゲイン決定マップMP1は、設定された電流領域ごとに直流抵抗による電圧降下分としてのフィードバックゲイン及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインが登録されている。図8は、ゲイン決定マップMP1の登録内容を例示した図である。図8に示すように、本実施形態では0(A)、0〜50(A)、50(A)以上の3つの電流領域が設定され、設定された電流領域ごとに、直流抵抗による電圧降下分としてのフィードバックゲインα1、α2(>α1)、α3(>α2)、及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインβ1、β2(<β1)、β3(<β2)が登録されている。
More specifically, the learning unit (gain control means) 84 searches the gain determination map MP1 using the current output current Ifc1 of the
図8に示すように、出力電流Ifc1(すなわち、負荷)が大きくなるにつれ、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン(フィードバックゲインの比率)を大きく設定する一方、出力電流Ifcが小さくなるにつれ、起電圧変化分としてのフィードバックゲイン(フィードバックゲインの比率)を大きく設定する。
これは、出力電流Ifc1が大きい場合には、燃料電池40の電解質膜内の含水量変化が大きいために直流抵抗が変化しやすく、一方出力電流Ifc1が小さい場合には直流抵抗としてフィードバックしても寄与が小さすぎ、追従できないばかりか実際の直流抵抗とは大きく異なる値が設定されてしまうからである。なお、設定する電流領域の範囲や数などについては、任意に変更可能である。
As shown in FIG. 8, as the output current Ifc1 (that is, the load) increases, the feedback gain (feedback gain ratio) as a DC resistance component is set larger, while as the output current Ifc decreases, the electromotive voltage changes. Set a large feedback gain (ratio of feedback gain) as a minute.
This is because when the output current Ifc1 is large, the change in the water content in the electrolyte membrane of the
学習部(フィードバック制御手段、ゲイン制御手段)84は、ゲイン決定マップMP1から現時点における燃料電池40の出力電流Ifc1に対応する各フィードバックゲイン(例えば、α2、β2)を取得すると、取得した各フィードバックゲインを利用して直流抵抗による電圧降下分及び起電圧変化分にフィードバックすることで、IV特性推定ラインを補正する。このように、燃料電池40の出力電流Ifc1に応じて、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインの比率を変えることで、燃料電池のIV特性を精度良く推定することが可能となる。以下、制御装置80によって実行されるIV特性推定処理について図9を参照しながら説明する。
When the learning unit (feedback control unit, gain control unit) 84 acquires each feedback gain (for example, α2, β2) corresponding to the current output current Ifc1 of the
A−2.動作説明
図9は、IV特性推定処理を示すフローチャートである。
まず、FF項生成部81は、当該システム運転中にFFマップを利用して活性化過電圧と直流抵抗推定値のフィードフォワード分を導出する(ステップS100)。そして、FF項生成部81は、導出したフィードフォワード分をIV特性推定ライン作成部83に通知する。
A-2. Explanation of Operation FIG. 9 is a flowchart showing IV characteristic estimation processing.
First, the FF
IV特性推定ライン作成部83は、残電圧降下要素として起電圧変化分と直流抵抗による電圧降下分の残りを合わせた電圧降下を求めた後、図7に示すようなIV特性推定ラインを生成する(ステップS200)。
The IV characteristic estimation
その後、学習部84は、IV特性推定ライン作成部83によって生成されたIV特性推定ラインと、現時点での実運転動作点との差分を求め、求めた差分(すなわち、電圧偏差)を直流抵抗による電圧降下分(抵抗分の電圧変化量)及び起電圧変化分(起電圧の変化量)にフィードバックする。
Thereafter, the
詳述すると、学習部84は、現時点における燃料電池40の出力電流Ifc1を検索キーとして、ゲイン決定マップMP1を検索する。学習部84は、ゲイン決定マップMP1から現時点における燃料電池40の出力電流Ifc1に対応する各フィードバックゲイン(例えば、α2、β2)を取得すると(ステップS300)、取得した各フィードバックゲインを利用して直流抵抗による電圧降下分及び起電圧変化分にフィードバックすることで(ステップS400)、IV特性推定ラインを補正し、処理を終了する。
More specifically, the
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池40の出力電流Ifc1に応じて、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインの比率を変更する。この結果、従来に比して燃料電池のIV特性を精度良く推定することができ、これにより燃料電池の実際のIV特性とIV特性推定ラインとの乖離を抑制することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the ratio of the feedback gain as the DC resistance and the feedback gain as the change in electromotive voltage is changed according to the output current Ifc1 of the
なお、上述した本実施形態では、活性化過電圧(活性化分極に起因する電圧降下)の制御について特に言及しなかったが、例えば活性化過電圧のフィードフォワード項に燃料電池40の経時変化分(時間パラメータ)や温度変化分を入れても良い。これにより、燃料電池のIV特性をより精度良く推定することができる。
In the present embodiment described above, the activation overvoltage (voltage drop caused by activation polarization) is not particularly mentioned. However, for example, the change over time (time) of the
また、上述した本実施形態では、出力電流Ifc1に応じて、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインの両ゲインの比率を変えたが、いずれか一方のフィードバックゲイン(例えば、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン)のみを変更するようにしても良い。この点は以下に示す応用例も同様である。 In the present embodiment described above, the ratio of both the gain of the feedback gain as the DC resistance and the feedback gain as the change in electromotive voltage is changed according to the output current Ifc1, but either one of the feedback gains (for example, Only the feedback gain as the DC resistance component) may be changed. This also applies to the application examples shown below.
B.応用例
<応用例1>
上述した本実施形態では、燃料電池40の出力電流Ifc1に応じて各フィードバックゲインの比率を変更したが、燃料電池40の出力電流Ifc1の代わりに燃料電池40の運転状態(すなわち、通常運転であるか、リフレッシュ運転であるか)に応じて各フィードバックゲインの比率を変更しても良い。
B. Application example <Application example 1>
In the above-described embodiment, the ratio of each feedback gain is changed according to the output current Ifc1 of the
ここで、燃料電池40の運転状態については、燃料電池40に供給する反応ガス(ここでは酸化ガス)のガス量(単位時間当たりの供給ガス量)に基づき判断することができる。具体的には、学習部(ストイキ比検出手段)84が当該時点におけるエアストイキ比が設定閾値(以下では、「1」を想定)以上であるか否かを判断し、エアストイキ比が1以上に設定されていれば、通常運転状態にあると判断し、エアストイキ比が1未満に設定されていれば、リフレッシュ運転状態にあると判断する。なお、設定閾値については、システム設計などに応じて任意に設定・変更可能である。
Here, the operating state of the
図10は、応用例1に係るゲイン決定マップMP2の登録内容を例示した図である。応用例1では、学習部84にゲイン決定マップMP2が格納されている。
図10に示すように、本実施形態ではストイキ比1以上(通常運転)、ストイキ比1未満(リフレッシュ運転)が設定され、設定されたストイキ比ごとに、直流抵抗による電圧降下分としてのフィードバックゲインα1’、α2’(>α1’)及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインβ1’、β2’(<β1’)が登録されている。
FIG. 10 is a diagram illustrating the registered contents of the gain determination map MP2 according to the application example 1. In the application example 1, the gain determination map MP2 is stored in the
As shown in FIG. 10, in this embodiment, a stoichiometric ratio of 1 or more (normal operation) and a stoichiometric ratio of less than 1 (refresh operation) are set. α1 ′ and α2 ′ (> α1 ′) and feedback gains β1 ′ and β2 ′ (<β1 ′) as changes in electromotive voltage are registered.
学習部84は、所定のタイミングで燃料電池40に供給する酸化ガスのガス量(単位時間当たりの供給ガス量など)を検知することにより、当該時点におけるエアストイキ比が1以上であるか否かを判断し、ゲイン決定マップMP2から現時点におけるエアストイキ比に対応する各フィードバックゲイン(例えば、α2’、β2’)を取得する。そして、学習部84は、取得した各フィードバックゲインを利用して直流抵抗による電圧降下分及び起電圧変化分にフィードバックすることで、IV特性推定ラインを補正する。このように、燃料電池40に供給される酸化ガスのストイキ比(別言すれば、燃料電池40の運転状態)に応じて、直流抵抗分としてのフィードバックゲイン及び起電圧変化分としてのフィードバックゲインの比率を変えることで、燃料電池のIV特性を精度良く推定することが可能となる。
The
なお、上記実施例では、直流抵抗推定値のフィードフォワード分として製造出荷時に予め設定されている固定値を想定したが、インピーダンス測定値を利用しても良い。
ここで、図11は交流インピーダンス法によるインピーダンス測定の結果を複素平面に模式的にあらわした図であり、縦軸に虚部、横軸に実部を示す。
In the above-described embodiment, a fixed value set in advance at the time of manufacture and shipment is assumed as the feedforward for the estimated DC resistance value. However, an impedance measurement value may be used.
Here, FIG. 11 is a diagram schematically showing the result of impedance measurement by the AC impedance method on a complex plane, with the ordinate representing the imaginary part and the abscissa representing the real part.
所定条件のもと、燃料電池40のインピーダンスを測定し、周波数変化に伴うインピーダンスの軌跡を複素平面上にプロット(コールコールプロット)すると、図11に示すようなインピーダンス曲線が得られる。このようなインピーダンス測定を、当該システム運転中に間欠的または連続的に行う。そして、測定したインピーダンス(測定インピーダンス)の実部を直流抵抗推定値Reとし、この直流抵抗推定値Reに電流センサ150によって検出されるFC電流を乗ずることで、直流抵抗による電圧降下分を求める。このように、直流抵抗推定値のフィードフォワード分としてインピーダンス測定値を利用しても良い。
When the impedance of the
10・・・燃料ガス供給源、40・・・燃料電池、50・・・温度センサ、60・・・バッテリ、70・・・酸化ガス供給源、80・・・制御装置、81・・・FF項生成部、83・・・IV特性推定ライン作成部、84・・・学習部、MP1,MP2・・・ゲイン決定マップ、110・・・インバータ、115・・・モータ、116L、116R・・・車輪、130・・・DC/DCコンバータ、140・・・電圧センサ、150・・・電流センサ、100・・・燃料電池システム。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池の実運転動作点における出力電流、出力電圧を検知する電流・電圧検知手段と、
前記燃料電池の電流・電圧特性を推定する推定手段と、
推定された前記燃料電池の電流・電圧特性と検知される実運転動作点における出力電圧との間に生じた電圧偏差を検知する電圧偏差検知手段と、
検知される電圧偏差を、前記燃料電池の抵抗分の電圧変化量及び前記燃料電池の起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックするフィードバック制御手段と、
検知される前記燃料電池の出力電流に応じて、前記抵抗分の電圧変化量及び前記起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックする前記電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更するゲイン制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
Output current at the actual operation point of the fuel cell, current / voltage detection means for detecting the output voltage,
Estimating means for estimating current / voltage characteristics of the fuel cell;
A voltage deviation detecting means for detecting a voltage deviation generated between the estimated current-voltage characteristic of the fuel cell and the output voltage at the detected actual operation point;
Feedback control means for feeding back the detected voltage deviation to at least one of a voltage change amount corresponding to the resistance of the fuel cell and an electromotive voltage change amount of the fuel cell;
Gain control means for changing a feedback gain ratio of the voltage deviation to be fed back to at least one of the voltage change amount of the resistance and the change amount of the electromotive voltage according to the detected output current of the fuel cell. A fuel cell system comprising:
前記ゲイン制御手段は、検知されるストイキ比に応じて、前記抵抗分の電圧変化量及び前記起電圧の変化量の少なくともいずれかにフィードバックする前記電圧偏差のフィードバックゲインの比率を変更することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A stoichiometric ratio detecting means for detecting a stoichiometric ratio of the oxidizing gas supplied to the fuel cell;
The gain control unit changes a feedback gain ratio of the voltage deviation to be fed back to at least one of a voltage change amount of the resistance and a change amount of the electromotive voltage according to a detected stoichiometric ratio. The fuel cell system according to claim 1.
Priority Applications (1)
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| JP2007286307A JP2009117074A (en) | 2007-11-02 | 2007-11-02 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
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